Nieuw TNO-lab zet warmtepompen in de kou

De Campus-Zuid breidt gestaag uit. Het TNO Bouwinnovatielab, dat begin oktober 2021 geopend werd, ligt tussen de protonenkliniek Holland PTC en het NEXT Delft gebouw voor scale-ups, succesvolle start-ups. Het Bouwinnovatielab bevat klimaatkamers, werkplaatsen en laboratoria. Er staan persen die stenen vermorzelen, een karretje dat wegdek beproeft door er tienduizend keer overheen te rijden, en trekbanken die net zo lang aan een stalen proefstuk sjorren tot dat na weken of maanden bezwijkt. In kamers zo groot als een halve gymzaal is het klimaat regelbaar tussen een koude winter en een snikhete zomer. De vier kamers zijn in duo’s gebouwd voor gelijktijdige instelling van binnen- en buitenklimaat. Dit is een unieke en realistische testlocatie voor warmtepompen en warmteterugwin-systemen.

^{Het TNO Bouw Innovatie Lab is een nieuwkomer op de zuidelijke campus. (Foto: Jos Wassink)}

Van het gas af
In de komende decennia zullen veel cv-ketels plaats moeten maken voor een warmtepomp om aardgasvrij en elektrisch te verwarmen. “In de bestaande bouw is dat het grootste probleem”, zegt Richard Kemp, wamtepompspecialist bij TNO. “Natuurlijk moet je die oudere huizen eerst goed isoleren voordat je gaat verwarmen met een warmtepomp. Maar wat als het twee weken lang 10 graden vriest, houden ze het dan nog warm binnen?” Niemand die het weet.

Een warmtepomp brengt de warmte van een lage temperatuur buiten naar een hogere temperatuur binnen. De hoeveelheid warmte is makkelijk drie tot vijf keer groter dan de energie voor het warmtetransport. Het is deze verhouding (coëfficiënt of performance of COP) die warmtepompen zo aantrekkelijk maakt. Naarmate het buiten kouder wordt, daalt het rendement. Een eerlijker maat is dus de Seasonal COP die het gemiddelde rendement over het hele jaar geeft.

De natte Nederlandse winter is een lastige werkomgeving voor warmtepompen. Bij een paar graden boven nul en een hoge luchtvochtigheid condenseert waterdamp op de verdamper van de warmtepomp (de grote kast in de tuin of op het dak) en vriest daar vast. De ijslaag belemmert het warmtetransport en de pomp levert geen warmte meer.

Als remedie is de warmtestroom tijdelijk om te draaien: warmte gaat van binnen naar buiten om de verdamper te ontdooien. Maar bewoners zullen daar niet blij mee zijn. Onderzoeker Olav Vijlbrief gaat na of verschuiving van de warmtevraag in de tijd ook een oplossing kan bieden: de warmte overdag bij hogere temperaturen naar binnen halen en eventueel opslaan.

^{Microfoons in de klimaatkamer meten het geluidsniveau van warmtepompen onder volle belasting (Foto: Jos Wassink)}

Binnenste buiten
Bij zulke tests staat een warmtepomp in één van de klimaatkamers waar temperatuur en luchtvochtigheid overeenkomen met een kille en natte winteravond. Het is in feite alsof de warmtepomp buiten staat. Buiten de klimaatkamer staat in de hal een groot krat met twee grote blauwe watervaten en tal van buizen met afsluiters. Deze opstelling bootst het warmteverlies in een jaren-70 woning na, en ook de weerstand die het verwarmingswater ondervindt door de thermostaatkranen. Een simulatiecomputer bestuurt de aan- en afvoer van de grote geïsoleerde vaten met koud en warm water en een kleppensysteem. Het resultaat is een realistische en real-time belasting van de warmtepomp in de klimaatkamer.

“In plaats van te wachten op een periode met ongunstig weer kunnen leveranciers van warmtepompen en balansventilatie (warmteoverdracht tussen uitgaande en inkomende lucht, jw) hier hun producten beproeven in een realistische en dynamische testomgeving”, aldus Rinus Elsman, business developer energie in de gebouwde omgeving.

^{Mortelblokjes van verschillende samenstelling wachten op hun vermorzeling. (Foto: Jos Wassink)}

Postfossiel
Een verdieping hoger, en aan de andere kant van het gebouw, zijn kleinere klimaatkamers aangebracht waarin bouwmateriaal en wegdek wordt bewaard, soms decennia lang, om de veroudering te bestuderen. Tegelijkertijd vindt er onderzoek plaats naar nieuwe materialen. “Bouwmateriaal voor woning- en wegenbouw zal veranderen wanneer we afscheid nemen van fossiele brandstof”, vertelt Tim Dijkmans. Hij is projectmanager structural reliability. Neem als voorbeeld het hoogovencement in Nederland. Dat bevat veel hoogovenslakken, afkomstig van Tata Steel. Maar als Tata gaat vergroenen, en geen steenkool meer gebruikt, dan vallen ook de hoogovenslakken weg. Welk ander materiaal kan dan de plaats innemen en hoe staat het dan met de sterkte van het mengsel? Het mortellab van TNO fabriceert een baaierd aan nieuwe mengsels, die onder een pers beproefd worden. Daarnaast vinden microscopische en chemische analyses plaats om de bevindingen materiaalkundig te kunnen staven.
Een verwante onderzoekslijn is de speurtocht naar een vervanger voor bitumen – een restproduct van de aardolieraffinage, en het zwarte bindmiddel in asfalt. Wanneer de oliewinning stopt, moeten wegenbouwers een alternatief hebben. Dijkmans vertelt dat het plantaardige lignine een veelbelovende vervanger kan zijn als bindmiddel in asfalt. Uiteraard test TNO uitgebreid de eigenschappen van bitumenvervangers bij uiteenlopende temperaturen en belastingen.

^{In de beproevingshal van het Bouwinnovatie Lab staan tal van hydraulische persen. (Foto: Jos Wassink)}

Duurzame buren
Warmtepompen, nieuwe materialen voor bouw en wegenbouw, binnenklimaat, constructies en verduurzaming van de scheepvaart – het nieuwe TNO Bouwinnovatie Lab heeft een duidelijke focus op het postfossiele tijdperk.

Er zijn tal van overeenkomsten met onderzoeksgebieden aan de TU Delft, en de toekomstgerichtheid loopt parallel met het Delftse Climate Action-programma.

Geen wonder dat een delegatie van hoogleraren van de faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen kortgeleden langs wilde komen in de TNO-nieuwbouw voor een rondleiding. Maar de aangescherpte coronaregels noopten tot uitstel. Hopelijk krijgen ze snel een tweede kans.